微波技术2

·126·C波段Lange电桥设计赵卫宏胡明春(南京电子技术研究所)摘要：本文对微波电路中使用的各种耦合线形式的定向耦合器进行了归纳和总结，在此基础上设计了一种C波段Lange电桥，该电桥是在弱耦合结构基础上演化出的一种强耦合模型，同时本文给出完整的设计流程和仿真加工测试数据，通过测试数据可以看到，该种耦合器具有良好的性能，可以满足相应工程应用的要求。关键词：定向耦合器，C波段DesignofC-bandLangeCouplerZhaoWeihongHuMingchun(NanjingResearchInstituteofElectronicTechnology,Nanjing210039)Abstract:Abriefsummaryismadeonthecoupledlinedirectionalcouplers,afterthattheLangecouplerdesignonC-bandisgiven,andthiscouplerisastrongcouplingmodelbasedonfullyplanarconventionalcoupled-linecoupler.Meanwhilethewholedesignflow,simulationresult,andthetestingdataarepresented,itcouldbeseenthatthiscoplerhasgoodperformanceandcanmeettheengineeringrequirement.Keywords:Directionalcoupler;C-band1引言定向耦合器是一种在微波电路系统中被广泛应用的无源器件，其应中场合包括功率分配与合成器、定向滤波器、衰减器、移相器、混频器、放大器、调制器以及阵列天线中的波束形成网络等；同时定向耦合器还被应用在微波测试系统中，如通过耦合出总能量的一小部分，利用高灵敏度的测试设备来测量高功率信号。定向耦合器也是一种互易的四端口器件，信号能量加在输入端口后，两个输出端口有相应幅度的信号能量输出。其具体的性能指标包括频段范围、带宽、耦合度、定向性、隔离度、匹配性能、插入损耗、输出信号相对相位差、相位不平衡度和幅度不平衡度。另外定向耦合器的设计除了要考虑电性能外，还需要考虑实际加工的成本、尺寸等，以及加工误差、环境因素对耦合器性能的影响，更进一步还有产品生命周期内耦合器性能的下降程度。2耦合线定向耦合器平面微波定向耦合器的形式主要包括环形电桥系列、分支线定向耦合器系列以及耦合线定向耦合器系列。本文这里对耦合线定向耦合器及其演化做一个较为详细的归纳。耦合线定向耦合器由两条或者更多条足够接近的能够互相耦合传递电磁场能量的耦合线构成。传统的双线耦合器是一种完全对称的四端口网络，当001eoZZ时，该耦合器各端口完全匹配，其中000eeZzz、0o0o0Zzz为归一化偶模和奇模阻抗。但是一个完全平面的传统耦合线耦合器只有不到10dB的耦合度，这主要是由于在印刷或者蚀刻工艺基础上，耦合线之间的间隙有工艺实现的限·127·制，例如一个在印刷工艺基础上实现3dB耦合度的微带定向耦合器，要求其线间间隙小于0.0127mm，而这一点是非常难以实现的。另外在低频段，传统的耦合线定向耦合器的尺寸比较大，有一种小型化的实现方案，即在耦合端口串联一个电感同时并联一个接地电阻。耦合路的输出大小同串联电感、并联电阻相关，其中电感值的确定由耦合平坦度、中心带频率和耦合系数决定，并联电阻大小取决于耦合线的阻抗和电感的值，最终该耦合器的集成度大概是常规耦合器的五倍。平面3dB耦合器的最早由Lange提出，该耦合器由几段由交叉跨接线连接的交指带状线或微带线构成，Lange电桥同常规耦合线形式的定向耦合器相比，耦合微带线或带状线之间间隙宽度在满足加工工艺要求的宽度下，还能够提足够强的耦合度，另外还能够在一个倍频程甚至更宽的带宽内提供3dB耦合度。除了以上尺寸小型化、耦合度增强这两种对常规耦合线定向耦合器的改进，还可以通过增加4耦合线的节数来实现耦合器带宽的展宽。例如三节形式的定向耦合器，其理想匹配条件为：010102021eoeoZZZZ，其中01eZ、01oZ为耦合器边缘节的偶模和奇模特性阻抗，02eZ、02oZ为耦合器中心节的偶模和奇模特性阻抗。进一步还可以考量耦合器的定向性改善问题。由于微带耦合线奇偶模式之间的有效介电常数和相对相速存在很大的不平衡，所以导致了基于微带耦合线的各型耦合器都存在了一些应用限制，比如设计出的耦合器定向性较差，这一点可以通过在耦合段的中间或边缘加入集总电容来补偿奇偶模相速的不平衡，其原因是集总电容不会影响偶模信号，但是会降低奇模信号的相速。例如应用锯齿型耦合线的定向耦合器，该锯齿形状增大了奇模电流路径，而对偶模电流影响很小，这样同样起到了奇偶模相速拉匹配的效果，另外还有类似的结构用了周期的台阶结构取代了锯齿结构。此外，对传统耦合线定向耦合器的改进主要还有非对称定向耦合器、渐变线定向耦合器，以及增加介质层并用带线宽边实现电磁能量耦合的耦合线定向耦合器。3Lange电桥的设计、仿真与加工测试在上述耦合线定向耦合器归纳的基础上，本文设计了一种C波段Lange电桥，并在这里给出详细的设计仿真过程，Lange电桥的优点在于其尺寸小，并且同常规双线耦合器的线间间隙相比，该耦合器具有相对大的线间间隙，另外同支线耦合器相比，Lange电桥具有相对大的带宽。在3dB能量分配时，Lange电桥对平衡式MIC功放和混频器、以及二进制功分网络而言，是一种理想的无源功率分配与合成器件。Lange电桥的设计首先需要指定耦合系数k和特性阻抗0Z，耦合区域的长度l为中心频率处波长的四分之一，而设计的要求就是在给定的厚度h和介电常数r的材料上，找出耦合交指线的间隔s和线宽w。(a)(b)图1Lange电桥设计原理图(a)和仿真模型图(b)对N（N为偶数）线耦合器而言，其基本公式如下22(1)(1)(1)(1)2NRKNRR，00oeZRZ00[(1)][(1)1](1)oRNRNRZZZR其中0oZ为双耦合线的奇模阻抗，0eZ为双耦合线的偶模阻抗。根据上述公式计算出奇偶模阻抗后，Lange电桥尺寸参数/wh、/sh在给定的介质材料上就可以确定。·128·完成上述初始计算工作后，利用相应的微波软件，在得到的参数基础上进行建模仿真，根据仿真中间结果，对电桥的结构参数进行微调，最后得出合理的设计尺寸参数。设计一个C波段3dB的Lange电桥，选取介质基板厚度为0.5mm，介电常数为9.8，建模情况如图1(b)所示，中心频率为5.5GHz。根据初始计算公式计算出Lange电桥的尺寸参数后，进行仿真优化的参数如下：耦合区长度l为5.675mm，耦合支线的线宽w为0.0351mm，耦合支线的间隔s为0.05mm。具体仿真、加工以及测试结果如下图所示。仿真结果如下：(a)直通端口和耦合端口能量分配仿真结果(b)直通端口和耦合端口相位差仿真结果(c)输入回波损耗和隔离端口插损仿真结果图2图3实际加工样品(测试时由于尺寸太小需要加外围测试电路)对样品进行测试，结果如下：(a)输入端口驻波测试结果图(b)直通输出端口驻波测试结果(c)耦合输出端口驻波测试结果(d)两路输出端口相位差测试结果·129·(e)两路输出端口插入损耗测试结果图4对上述对样品的测试，从测试结果可以看到两路输出之间的幅度均衡良好，插损值较仿真结果略大的原因是测试架本身的插入损耗引起的。另外两路输出之间的相位正交情况良好。4结论本文各种耦合线形式的定向耦合器进行了一定的归纳，给出了几种常规形式耦合器针对不同应用背景的演化形式，其中包括尺寸的缩小、耦合度的加强、频带的展宽以及隔离度的增大。对这些方法的适当选取会取得良好的效果，比如尺寸缩小的方法一般是在低频段场合选取，这主要是由于在低频段尺寸问题是主要矛盾。而在C波段，3dB的宽带耦合器采用普通的宽边带耦合设计和加工都是相对比较难的，这时候采用平面形式的Lange电桥设计，就会取得良好的效果。本文给出的设计、仿真、加工以及测试过程表明，该C波段Lange电桥具有设计简单、仿真调整方便、加工成本低，以及微波电性能良好的特点，完全可以满足相应工程应用的要求。参考文献[1]J.Lange,“InterdigitalStriplineQuadratureHybrid”,IEEETransactionsonMicrowaveTheory&Techniques,Vol.MTT-17,Dec.1969,pp.1150-1151[2]AdolphPresser,“InterdigitatedMicrostripCouplerDesign”,IEEETransactionsonMicrowaveTheory&Techniques,Vol.MTT-26,Oct.1978,pp.801-805[3]Dydyk,“AccurateDesignofMicrostripDirectionalCouplerswithCapacitiveCompensation”,IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposiumDigest,1990,pp581-584[4]L.G.Maloratsky,“CouplersShrinkHF/VHF?UHFDesigns”,MicrowaveandRF,June2000,pp.93-96[5]MasayukiNakajima,etc,“NewBroad-Band5-SectionMicrostrip-LineDirectionalCouper”,IEEEMTT-SDigest,1990,pp.383-386作者简介：赵卫宏，男，硕士，主要研究领域为微波电路技术；胡明春，男，研究员、主要研究领域为电磁场与微波技术。·130·基于主动空间映射算法的宽带LTCC功分器周波盛卫星王昊(南京理工大学毫米波技术研究室，南京210094)摘要：空间映射思想是通过构造粗糙模型与精确模型实际变量之间的映射关系，获得合适的代替模型，从而简化优化过程。本文应用MicrowaveOffice和HFSS软件分别建立了基于LTCC(LowTemperatureCo-firedCeramic)的宽带功分器的粗糙模型和精确模型，采用主动映射空间算法对其进行优化设计，经过迭代，建立了精确模型和粗糙模型的映射关系并得到精确空间宽带LTCC功分器优化设计值。该功分器采用多节分层结构，HFSS仿真结果表明，在2～38GHz频带内，插入损耗小于0.3dB，输出端回波损耗和隔离度均优于-15dB，输入端回波损耗小于-13dB。电路尺寸为4mmX4mmX1.654mm。关键词：主动空间映射，宽带，LTCC,功分器BroadbandLTCCPowerdividerBasedonAggressiveSpaceMappingAlgorithmZhouBoShengWeixingWangHao(MicrowaveandMillimeterWaveLaboratory,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094)Abstract:Thetheoryofspacemappingistogainanappropriatesurrogatemodelbyconstructingasparerelationshipbetweenthedesignvariablesofcoarseandfinemodelsoastosimplifyoptimizationprocess.Inthispaper,coarseandfinemodelsofthebroadbandLTCCpowerdividerareestablishedbySoftwareMicrowaveOfficeandHFSS,respectively.Relationshipbetweenvari